成都冬季“干”气溶胶等效复折射率变化特征研究

杨寅山,倪长健*,张智察,冯 淼,白彬人,石荞语,汤津赢

成都冬季“干”气溶胶等效复折射率变化特征研究

杨寅山1,2,倪长健1,2*,张智察1,2,冯 淼3,白彬人1,2,石荞语1,2,汤津赢1,2

(1.成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都 610225；2.高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225；3.成都市环境保护科学研究院,四川 成都 610072)

基于成都市2017年12月逐时的“干”气溶胶散射系数和吸收系数观测数据,结合该时段同时次GRIMM180环境颗粒物分析仪的监测资料,利用免疫进化算法一体化反演550nm波长处“干”气溶胶等效复折射率的实部和虚部,并对其冬季变化特征进行了研究,结果表明:“干”气溶胶等效复折射率实部和虚部分别为(1.547±0.0552)和(0.0197±0.00604).“干”气溶胶等效复折射率实部和虚部的日变化形态基本一致,主要表现为“单谷型”特征,二者的谷值出现时段位于15:00~18:00.在日时间尺度上而言,“干”气溶胶等效复折射率实部与质量浓度统计上对其散射消光的演化存在协同作用,“干”气溶胶虚部与质量浓度对其吸收消光的演化也存在类似影响.“干”气溶胶等效复折射率虚部是单位质量浓度“干”气溶胶吸收消光能力的重要表征.

“干”气溶胶；等效复折射率；日变化；质量浓度；协同作用

气溶胶是指悬浮在地球大气中沉降速度小、尺度范围介于10-3~20μm的液态或固态粒子[1].气溶胶不仅在天气气候演变中扮演着重要角色,也是目前区域大气复合污染所关注的焦点问题[2-4].多项研究表明[5-7],气溶胶消光是大气消光的主体,是区域秋冬季能见度下降最重要的因子,并与颗粒物尤其是细颗粒物质量浓度存在很好的相关性.进一步研究发现[8-10],气溶胶消光并不是完全取决于颗粒物质量浓度的高低,同时还与颗粒物的化学组分以及不同化学组分随粒径的变化密切相关,即气溶胶复折射率也在其中起着非常关键的作用.

气溶胶复折射率是气溶胶的重要光学参数,其实部主要与光的散射有关,虚部主要与光的吸收有关.受排放因素、气象条件以及复杂化学过程等因素的共同影响,气溶胶复折射率的变化存在很大的不确定性.李学彬等[11]提出可利用黑碳仪、浊度仪和光学粒子计数器通过枚举法反演大气气溶胶折射率实部与虚部;Ebert等[12]将气溶胶组分分为海盐、硅酸盐、碳酸盐、碳/硫酸盐混合颗粒、硫酸铵、硫酸钙、金属氧化物/氢氧化物、煤灰、生物质以及其余含碳物质十类,并根据其相对丰度及粒径分布计算了气溶胶的复折射率,指出实部较大是由于气溶胶粒子含有较高的金属氧化物/氢氧化物,而虚部较大则因为煤灰的含量较高.目前复折射率的测量方法主要包括直接测量法、光声法以及反演法[13-15],这些方法总体面临精度、设备技术复杂性以及技术效率之间的矛盾,还不能快速准确地反映气溶胶化学组分以及不同化学组分随粒径变化的复杂性.针对现有反演算法存在的不足,张智察等[16]基于现代优化技术的研究成果,提出了利用免疫进化算法求解气溶胶等效复折射率的新途径,这为复折射率后续的统计研究提供了算法保障.

“干”气溶胶系指相对湿度小于40%的未吸湿性气溶胶,其等效复折射率是分析气溶胶吸湿性光学效应的基础,具有重要的理论意义[17-18].着眼于“干”气溶胶等效复折射率演化规律及其环境效应的深入认知,本文利用成都市2017年12月逐时的“干”气溶胶散射系数和吸收系数观测数据,结合该时段同时次GRIMM180环境颗粒物分析仪的监测资料,基于免疫进化算法一体化反演550nm处“干”气溶胶等效复折射率的实部和虚部,并对其冬季的变化特征进行了系统地分析.

1 资料与方法

1.1 数据获取

本文使用的观测资料包括成都市2017年12月期间AURORA 3000型浊度仪观测的气溶胶散射系数、AE-31型黑碳检测仪反演的气溶胶吸收系数以及GRIMM180环境颗粒物分析仪的监测资料,相关设备参数、布设地点及周边环境状况参见文献[14].550nm处的散射系数和吸收系数的计算方案简介如下.

(1)AURORA 3000型浊度仪通过温湿度传感器来控制加热系统,使其内部腔室中气溶胶相对湿度维持在40%左右.浊度仪观测的是520nm波段的“干”散射系数sca520(Mm-1),按文献[6]提出的订正公式,可得550nm波段处“干”气溶胶散射系数sca550(Mm-1),见式(1).

(2)基于AE-31型黑碳检测仪观测黑碳质量浓度BC(μg/m3)数据,由此得到532nm波段处的“干”气溶胶吸收系数abs532(Mm-1)[19-20],见式(2).依据文献[5]再将532nm波段处的“干”吸收系数abs532(Mm-1)订正得到550nm波段处的“干”吸收系数abs550(Mm-1),见式(3).